Photovoltaik Physik und Technologie der Solarzellen - IPHT Jena

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- 19 - Abb. 3.3: Photonenabsorption und Anregung im Bandschema eines Halbleiters Der als E 1/E 0 berechnete Wirkungsgrad heißt „ultimate efficiency“ und hängt vom Verhältnis der Bandlücke zur Temperatur des abstrahlenden Körpers ab. Bei der Definition der ultimate efficiency ist nicht berücksichtigt, dass die Solarzelle selbst auch ein strahlender Körper ist und Energie durch strahlende Rekombination der Ladungsträger in die Umgebung abstrahlt. Bezieht man diesen Effekt ein, so erhält man den „Shockley- Queisser-Limit“ (detailed balance limit) für den Wirkungsgrad, der kleiner ist als die ultimate efficiency, und auch noch von der Temperatur der Solarzelle und von der Einstrahlgeometrie abhängt (W. Shockley, H.J. Queisser, J. appl. Phys. 32 (1961), 510). Mehr dazu in Kap. 5.7. Werden noch andere Rekombinationsmechanismen berücksichtigt, verringert sich der Wirkungsgrad weiter. Oft werden zur Rekombination plausible Annahmen gemacht und man kommt zu einem „semiempirischen Wirkungsgrad“. Meist bezieht man sich auf eine Arbeit von M.B. Prince (J. appl. Phys. 26 (1955), 534). In Abb. 3.4 sind die verschiedenen Grenzen für den Wirkungsgrad in Abhängigkeit von der Bandlücke dargestellt und Bandlücken gängiger Halbleiter eingetragen. Die günstigste Bandlücke liegt nach dem semiempirischen Wirkungsgrad bei 1,3 eV. Das Maximum ist aber breit, sodass Bandlücken von 0,8 bis 1,7 eV brauchbar sind. Folgende Halbleiter liegen in diesem Bereich (Tab. 3.1): CuInSe 2, c-Si, Cu 2S, Cu 2Te, InSe, InP, GaAs, CuInS 2, a-Si, CdTe, Zn 3P 2, AlSb, CdSe. Schlecht geeignet sind Ge, Cu 2O, AlAs, GaP, ZnTe, CdS. Das geschilderte Problem der Energieausnutzung lässt sich durch einen Kunstgriff zum Teil umgehen. Man schaltet in Einstrahlrichtung des Lichtes bei Stapelzellen (Tandemzellen) mehrere Solarzellen hintereinander. Dabei werden die Zellen mit der jeweils größeren Bandlücke weiter vorn angeordnet. Das in der ersten Zelle nicht absorbierte langwellige Licht kann in der nächsten Zelle wirksam werden und so fort. In Abb. 3.5 ist dargestellt, wie der Wirkungsgrad bei zwei hintereinander geschalteten Zellen von ihren Bandlücken abhängt. Abb. 3.6 zeigt den maximalen Wirkungsgrad in Abhängigkeit von der Anzahl der Zellen. Praktikabel ist das Konzept nur bei Dünnschichtzellen. Zur Zeit werden bis zu drei Zellen hintereinander geschaltet. Inwiefern der höhere Herstellungsaufwand der Stapelzellen akzeptabel ist, muss sich noch zeigen. 3 Grundlagen der Photovoltaik F. Falk, Photovoltaik WS 2010/11
Tab. 3.1: Bandlücken von Halbleitern - 20 - Abb. 3.4: Grenzwerte für den Wirkungsgrad in Abhängigkeit von der Bandlücke. Ultimate efficiency oben links, Shockley-Queisser-limit oben rechts, semiempirischer Wirkungsgrad [Hu] unten Halbleiter Si a-Si GaAs CdTe CuInSe2 Eg/eV 1,12 1,6...1,7 1,43 1,43 1,05 3 Grundlagen der Photovoltaik F. Falk, Photovoltaik WS 2010/11
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